二、胆石成因
上述胆石中的主要成分胆固醇和胆色素，是生理条件下就存在于胆汁中的脂质。胆石，实际上是这些原来溶于胆汁中的溶质，从溶液中沉淀、析出，然后再聚集、增大成为结石。对胆固醇、胆色素及其他结石成分沉积到胆汁中的机制分述如下。
（一）胆固醇在胆汁中的溶解和沉淀
胆汁酸盐、磷脂（95%是卵磷脂）和胆固醇是正常胆汁中主要的三种脂类物质。其中游离的胆汁酸在排至胆道之前需先与甘氨酸和牛磺酸形成水溶性最强的结合型胆汁酸。而不溶于水的胆固醇则主要以非酯化的游离形式存在于胆汁中，胆固醇酯仅占15%。据目前了解，肝脏分泌胆汁酸除了刺激胆汁生成外，也是向毛细胆管同时分泌胆固醇和卵磷脂的驱动力。当在毛细胆管中遇到胆汁酸盐时，胆固醇、卵磷脂和胆汁酸盐三者便形成一种直径平均为5～6 nm的微胶粒，从而将胆固醇“溶解”在胆汁中。1968年，Admirand和Small通过模拟胆汁实验，用三角坐标阐明了胆汁酸盐、卵磷脂和胆固醇三者的相对比例是决定胆固醇在胆汁中溶解度的关键，并划定了胆固醇在天然或模拟胆汁中最大溶解度的范围，还从热力学角度阐明了胆固醇在胆汁中溶解与沉淀的规律，即所谓的“Admirand-Small三角坐标”（图4-2A）。坐标中任何一个点都反映胆汁中三种脂类的相对摩尔百分浓度及此时胆汁的理化状态。若该点位于坐标底的微胶粒区，表明三者结合成微胶粒形式，此时胆固醇呈溶解状态；如在此区之外，则胆固醇呈过饱和状态，可析出胆固醇结晶成为“成石性胆汁”，并可用胆固醇饱和指数（Cholesterol Saturation lndex，CSl）的概念定量地反映每份胆汁的饱和程度，即用胆汁中胆固醇的实际摩尔量与胆汁酸盐、磷脂最大限度能够“溶解”胆固醇的量之比值表示。凡CSI＞1者，便为胆固醇过饱和胆汁。从三角坐标中看出：在微胶粒的液相区，胆汁酸盐和卵磷脂的浓度可有较大的变化幅度，而胆固醇浓度的变化范围则很小。1973年，Holzbach等发现在Admirand-Small三角的微胶粒液相区上方还有一个用斜线表示的相对稳定带（图4-2B）。其下为胆固醇未饱和区（微胶粒液相区），其上为胆固醇绝对过饱和区（沉淀区）。因此，根据胆固醇的溶解度与胆汁酸盐、卵磷脂和胆固醇三者相对浓度比例的密切关系，当胆汁中胆汁酸盐、卵磷脂的含量绝对或相对减少，胆固醇则处于相对或绝对的过饱和状态时，便引起胆固醇的溶解度降低，极易形成结晶析出，从而构成胆囊胆固醇结石的理化基础。1983年，Somjen应用准弹性光散射法发现了最初胆固醇与磷脂共同从肝细胞排至毛细胆管中的结构形式，即囊泡（vesicle）。它是一种比微胶粒大10～20倍（50～100 μm）呈单层、实心或球形的颗粒结构。研究表明，囊泡是胆管胆汁携带并运输胆固醇的主要形式，约可溶解肝胆汁内80%以上的胆固醇。而且溶在囊泡和微胶粒两种形式中的胆固醇能够互相转变并处于动态平衡中，主要取决于胆汁中胆盐和总脂的浓度及胆固醇的饱和程度。例如，当胆盐含量高于微胶粒的临界浓度时，囊泡便转变成微胶粒，反之，当胆固醇含量超过微胶粒的溶解限度时，过量的胆固醇便和磷脂重新形成囊泡。Helpern等发现，囊泡越多，胆固醇在胆汁中的溶解稳定度越低，在胆固醇过饱和胆汁中，囊泡相互靠拢，其紧密程度也与胆固醇含量相关。因胆汁酸盐在胆管及胆囊中的浓度差异，相比之下，胆汁中的胆固醇主要靠囊泡运输，胆囊内则偏重微胶粒形式。此外，胆固醇的运输形式还与胆盐/磷脂（B/P）和胆固醇/磷脂（C/P）的比值有关。B/P值通常为3，值越低，囊泡的数目越多。当B/P值＜1．9时，不但数量多而且囊泡的体积增大，变成双层至多层结构。囊泡中C/P值通常为1∶1，最高可达5∶2，而微胶粒中则常为1∶2～1∶5。当囊泡中C/P值＞3∶2，微胶粒中C/P值＞1∶3时，胆汁便处于亚稳态。换句话说，当胆汁中胆汁酸盐和磷脂的绝对或相对量不足或胆固醇量过多而无法继续处于溶解状态时，胆固醇的单水结晶便从过饱和的囊泡中析出。因为推出胆固醇饱和指数的概念和计算该饱和指数时，尚未发现囊泡和考虑到囊泡对胆固醇的运输及饱和胆固醇从囊泡中析出的问题，所以该饱和指数并不与胆石形成密切相关。通过测定美洲印第安妇女肝脏每小时对胆固醇、胆汁酸盐和磷脂的分泌率证实：该特殊人群的胆石患者表现为肝脏同时存在对胆固醇的分泌率异常升高和胆汁酸盐分泌降低两种缺陷引起的胆固醇过多。相反，合并肥胖症的胆石症白人，则主要表现为胆固醇分泌增高，而非肥胖症胆石患者则与肝脏对胆汁酸盐和磷脂的分泌降低引起相对性高胆固醇症有关。此外，极少数患者仅表现为单项磷脂分泌率降低导致相对的高胆固醇胆石症。提示“成石性胆汁”的形成主要是胆固醇、胆汁酸盐和卵磷脂三种成分在肝脏的摄取、生成及向胆道分泌方面发生异常的结果。
图4-2 Admirand-Small三角坐标图
A．Admirand-Small三角坐标（1968年）图中所示ABC弧线为胆固醇在胆汁中的最大溶解度，在ABC弧线内胆固醇以微胶粒形式存在，表现为液态。在此区内胆固醇浓度即使达到饱和也不会沉淀。但超出ABC弧线时，胆固醇呈过饱和状态则会出现胆固醇结晶。P是ABC弧线内P点中三种胆脂的相对浓度，无胆固醇结晶形成。B．Holzbach坐标（1973年）。斜线区示胆固醇相对过饱和带，其下方为胆固醇未饱和区（即微胶粒区），其上方则为胆固醇绝对饱和区（即沉淀区）
1.胆固醇在肝脏的摄取、合成增多及酯化作用下降 胆固醇增高有外源性和内源性两种。外源性胆固醇增多是因进食高胆固醇的膳食，经肠道吸收后由乳糜微粒转运至肝脏被肝细胞过多摄取所致。内源性胆固醇通常由低密度脂蛋白运输而与肝细胞膜上的受体结合后被肝细胞摄取。正常情况下，肝细胞内游离胆固醇增多时可抑制细胞膜上低密度脂蛋白受体的活性，所以内源性胆固醇增多可能与特异体质、肥胖或体内雌激素水平升高有关。全身3/4以上的胆固醇是在肝脏合成。主要原料是乙酰辅酶A，其限速酶为3羟-3甲基戊二酰辅酶A还原酶（HMG-CoA还原酶）。游离胆固醇在酰基辅酶A胆固醇酰基转移酶（ACAT）作用下酯化形成胆固醇酯，参与组成细胞膜性结构或储存于细胞内。临床发现肥胖者与Ⅳ型高脂血症患者胆囊胆固醇结石发生率高是其肝细胞内HMG-CoA还原酶活性增强而使胆固醇合成分泌增多的缘故。另有实验及胆结石患者肝活检发现肝细胞内ACAT活性降低使胆固醇酯化减少的作用更大。
2．胆汁酸在肝脏合成受抑制 胆汁酸的合成是以胆固醇为原料、以胆固醇7α-羟化酶为限速酶在肝细胞内进行的。所合成的胆汁酸称初级胆汁酸，包括胆酸（CA）、鹅脱氧胆酸（CDCA），它们分别与牛磺酸或甘氨酸结合成水溶性较强的结合型胆汁酸后分泌入胆汁。进入肠道后，被细菌降解成脱氧胆酸（DCA）、石胆酸（LCA）等二级胆汁酸，然后大部分在回肠末端被回吸收，经门静脉返回肝脏，此即胆汁酸的肠肝循环。临床研究发现，下列情况均影响胆汁酸的合成：①随着年龄的增长，肝细胞内胆固醇7α-羟化酶活性可逐渐减弱，胆汁酸合成受抑，导致胆汁酸池缩小。②对长期服用考来烯胺（消胆胺）、患Crohn病和回肠切除术后的患者，因胆汁酸的肠肝循环速率加快，或因肠内重吸收减少，使胆汁酸经大便排出增多。一方面肝内胆汁酸流增加会反馈性地抑制肝脏合成胆汁酸；另一方面则会因其丢失的量超出肝脏合成胆汁酸的能力，使胆汁酸池缩小。③女性雌激素可直接抑制CDCA的合成，缩小胆汁酸池，同时使DCA/CDCA的比值升高，刺激增加肝细胞低密度脂蛋白受体的数目，促使肝细胞摄取胆固醇，从而使分泌至胆汁的胆固醇增多。④当胆汁内胆汁酸各组分发生比例变化，例如DCA/CDCA比值升高时，可因DCA刺激胆固醇分泌入胆汁而引起胆汁内胆固醇增高。此外，胆汁中的胆汁酸盐及其微胶粒不仅有助于胆固醇在胆汁中的溶解，防止胆固醇结晶形成，而且还可与游离的钙离子和非结合胆红素结合，降低胆汁中游离钙或游离胆红素的含量，避免钙与磷酸盐及胆红素等阴离子形成钙盐沉淀，防止钙作为一个成核因子引起过饱和胆汁中胆固醇的析出及胆色素结石的形成等。
3．胆汁中磷脂在数量和成分上的变化 胆汁中的磷脂由肝细胞分泌，其中90%以上为卵磷脂，每个卵磷脂分子含有两个脂肪酸，其酰基键1连接饱和脂肪酸（棕榈酸和硬脂酸），酰基键2连接不饱和脂肪酸（亚油酸、油酸或花生四烯酸等）。临床及实验研究发现胆囊胆固醇结石患者胆汁中卵磷脂的含量和组分结构均有异常，主要表现为胆汁中卵磷脂含量下降和结构中含花生四烯酸等不饱和脂肪酸的卵磷脂比例升高。卵磷脂含量下降直接减少了囊泡和微胶粒的构成，不利于胆固醇在胆汁中的溶解和运输，因而使胆固醇的饱和度升高。而花生四烯酸卵磷脂比例的升高则为其水解后在胆囊壁内合成前列环素提供了底物。进而随着合成前列环素级联反应的活化，可引起胆囊黏膜黏蛋白的分泌增加和胆囊动力降低，最后导致胆囊内胆汁黏稠和淤滞，有利于胆固醇结石的发生。因此，胆汁中胆固醇饱和度与卵磷脂分子上连接的脂肪酸类型密切相关。经实验证明，含花生四烯酸卵磷脂的升高与胆汁中胆固醇的饱和程度呈显著正相关。
（二）胆固醇结晶的成核
尽管已经对生理条件下胆固醇如何“溶解”在胆汁中和发生病理情况时胆固醇结晶怎样从胆汁中析出的过程有了较多的了解，但是实际上单靠胆汁成分检测无法在正常人和胆石患者胆汁之间找到明确的分界。约40%～80%的正常人也可表现胆汁过饱和；相反，有结石者，胆汁中的微胶粒区也可与正常人类似，只是胆固醇过饱和的量比正常人更多些。美国胆石研究协作组的数据也证实：虽然所有胆石患者的胆汁均为胆固醇过饱和的，但并非所有胆汁过饱和者必然发生胆石。Holan研究了胆固醇从胆结石患者和正常人胆汁中析出单水结晶的成核时间有明显差别。胆结石患者平均只需3天，而正常人平均为15天。根据该项参数可把正常人与胆石患者胆汁间的区别明显分开，因而提出体外快速成核是成石性胆汁的基本特征。Holzbach等应用影像增强微分干涉相衬显微镜，从各种胆汁成核现象的观察中证实囊泡的聚集和融合是所有胆汁成核的重要步骤。还证明所有人的胆汁内均有成核因子存在。许多作者发现一些胆汁中的蛋白质具有促进成核的作用，例如胆囊黏膜分泌的黏蛋白已被确定是个重要的促成核因子，此外钙离子、单结合胆红素以及存在于毛细胆管膜上的一种叫作氨肽酶N的糖蛋白也都在实验研究中被认为有明显的促成核活性。而载脂蛋白A1和A2则被认为是胆汁中的抗成核因子。也有人认为成核可能与这两类因子的比值改变有关。
（三）胆囊的成石作用
胆囊作为胆结石的发生地在结石形成中具有多方面的成石作用。主要包括胆囊的排空障碍、黏膜的分泌异常及其代谢改变等。
首先，胆囊的动力学障碍有利于结石形成。与正常胆囊相比，胆结石患者胆囊的排空速度减慢且排空不完全。根据观察，此动力障碍往往先于结石形成，但在结石除去之后仍持续存在，说明所发生的是器质性、不可逆的功能障碍。可能与结石及继发的胆囊炎对胆囊平滑肌的损伤引起病变、肌细胞对CCK的敏感性改变有关。其后果便是胆囊内胆汁淤滞和胆汁成层。前者是排空不完全的直接后果，后者则与胆固醇结晶析出关系密切。这是根据若24小时中胆汁的饱和度不一样的话，不同时间进入胆囊的胆汁将含有不同浓度的胆固醇，若此种胆汁在胆囊内不能被混匀时便可出现胆汁成层现象。因此，胆囊内胆汁的混匀程度与胆固醇结晶析出有密切关系。(https://www.daowen.com)
其次，胆囊黏膜的分泌异常增强了胆囊的成石作用。主要包括黏膜分泌H+和分泌黏液的功能异常。结果前者引起胆汁酸化缺陷，不但不利于胆汁内钙盐的溶解，还提高了胆固醇的饱和度。后者则表现为各种黏液成分分泌增加。它们除引起胆汁黏稠、胆泥形成，干扰胆囊排空外，有些成分还具有明显的成核活性，促进胆固醇单水结晶析出或作为基质参与结石的构成。
最后，胆囊黏膜代谢功能的改变也影响胆石的发生。这主要通过黏膜上皮内存在的各种酶类以及黏膜复杂的吸收、分泌功能对胆脂溶解度的影响而实现的。例如胆囊黏膜上皮的溶酶体内含有磷脂酶A，常在炎症时释放到胆囊腔内，能将卵磷脂转变成溶血卵磷脂，后者有促进囊泡融合，使胆固醇单水结晶析出的作用，因而降低了胆固醇在胆汁中的溶解。此外，胆囊通过对胆汁的浓缩过程，改变了囊泡的结构与稳定性，促使胆固醇单水结晶的析出。另一方面，胆囊对胆固醇的吸收和在消化期分泌水的能力则是降低胆固醇沉积、成石和胆泥形成的保护机制。
（四）黏液糖蛋白的致石作用
虽然很早便已认识到糖蛋白作为胆红素钙类结石基质的重要作用，并经实验观察证明糖蛋白是与胆红素钙形成牢固的化学结合物后共同沉淀的。同时，黏液糖蛋白在胆固醇类结石形成中也有多种重要的成石作用。例如，它可能是炎症过程中的分泌物保护黏膜免遭损害，但也产生不利的病理作用，还可能充当结石发生的启动因素，促进成核、沉淀及成石。本实验室的研究证明：动物饲以高胆固醇饮食后，在结石形成前便已出现糖蛋白分泌量增加、胆汁黏度及胆管阻力上升。而饲喂阿司匹林抑制糖蛋白分泌后，却在高胆固醇饮食引起的相同高胆脂浓度下，因糖蛋白的分泌抑制、胆汁黏度下降、淤滞减轻而降低了成石率。此外，糖蛋白本身还可能是与促、抗成核过程有关的重要因素，并正在深入研究中。
综上所述，胆固醇结石的形成是个以肝脏脂类代谢紊乱为基础、以分泌“成石性胆汁”为特征，又在胆囊动力学紊乱、促成核因子共同参与下发病的复杂过程。其中肝脏是成石性胆汁的来源，成核因子和胆囊则分别是促进胆固醇结晶析出的启动者和结石生长的场所。但目前对该过程所知尚少，许多环节还有待进一步阐明。
（五）胆红素在胆汁中的溶解和沉淀
红细胞降解后形成的游离胆红素在排至胆道前先经肝脏，将与2个分子葡萄糖醛酸结合成水溶性双葡萄糖醛酸胆红素（diconjugated bilirubin，DCB）。因此，胆汁中的胆红素99%是这种DCB，未结合者（unconjugated bilirubin，UCB）只占1%。由于UCB不溶于水，故当有钙离子存在时，容易生成胆红素钙沉淀。生理情况下，由于UCB含量极少，胆汁中的胆汁酸盐使其离子化，避免与钙的接触，另外前面提到，胆汁酸盐能与钙结合，降低游离钙的浓度，因此不会生成沉淀。但在病理情况下，当UCB比例异常增高或胆汁酸盐相对不足时，便会产生胆红素钙沉淀，成为胆色素钙结石的基础。关于升高的UCB的来源及结石中胆红素钙的特征，目前有以下的了解。
UCB升高的可能原因：根据胆色素结石患者的胆汁中胆红素的总量并不像胆固醇结石那样显著升高，而是UCB的比例明显高于正常。目前了解可能引起UCB升高的因素包括：①DCB被外源性β-G酶水解成UCB（Maki学说）：②游离胆红素生成过多（溶血性疾病）；③肝脏摄取、运载胆红素的功能减退；④肝细胞内缺乏酯化胆红素所必需的酶（葡萄糖醛酸基转移酶）等。
Maki于20世纪60年代提出关于结合型胆红素被胆道感染时大肠埃希菌等病原菌释放的β-G水解成游离胆红素并形成胆红素钙沉淀的学说。以后逐渐发现，引起胆道感染的细菌除产生β-G外也能产生磷脂酶A，其结果不但引起胆红素钙沉淀，磷脂酶A的作用也像在胆囊黏膜中发生的一样，能使卵磷脂水解成溶血卵磷脂和非酯化脂肪酸，主要是棕榈酸、硬脂酸等饱和脂肪酸及其钙盐沉淀，成为棕色胆红素结石中的重要成分。虽然并不能在所有棕色结石患者的胆汁中检出β-G的活性，但至今Maki的观点仍为胆红素棕色结石形成机制的理论基础。此外．如前面提到的，溶血卵磷脂有促进囊泡融合和胆固醇单水结晶析出的作用，因此不但有利于胆固醇结石的发生，也是胆固醇和磷脂沉积在胆色素结石中的原因。由于反复发生胆道感染，又使上述病理过程多次重复，结石逐渐增大后又会形成胆道淤滞和继发新的胆管炎症，使棕色结石患者病情加重，形成恶性循环。
游离胆红素产生过多是黑色结石发生的基础。与棕色结石不同的是：此种结石发生在无感染的胆囊中，结石主要成分是胆红素钙的高聚合物，其次也有碳酸钙和磷酸钙结晶及极少量胆固醇，而作为基质的黏蛋白则占胆石重量的30%。此种结石中胆红素钙的产生是由于红细胞被破坏增多（如多种溶血性疾病）超出了肝细胞的处理能力，或因肝脏疾病（如肝炎、肝硬化）导致肝脏摄取、运载和酯化胆红素的功能减退，致所形成的结合胆红素量落后于游离胆红素的产量，或因肝细胞内缺乏酯化游离胆红素所必需的酶，以致不能将全部游离胆红素都转变成结合胆红素。此外，也有作者认为胆汁中游离胆红素增多还可由组织源（来自肝或胆管上皮细胞）性β-G释放引起等。根据溶血性疾病如溶血性贫血、遗传性球形红细胞增多症等病患者中，胆囊黑色结石的发生率高于正常人，肝硬化患者也比无肝硬化患者患色素结石的比例高1～2倍，并且患色素性胆结石的患者肝脏中酯化胆红素的限速酶β-葡萄糖醛酸基转移酶（UDP-glucuronosyltransferase）的活性明显低于无结石者和胆色素结石患者胆汁中除游离性胆红素增多，此外酯化不完全的单结合型胆红素也明显升高、已证实上述所提到的各个环节确实与黑色结石中游离胆红素升高有关。
（六）胆道内胆泥的形成
胆泥（sludge）是指一种呈凝胶状、含有无数微球样结晶的胆汁形式，是由胆红素钙颗粒、胆固醇结晶和糖蛋白组成的混合物，经超声检查时根据其特征性回声而被检出。由于这种黏液在胆汁中不能被降解，故当胆囊存在任何淤滞情况时，此种糖蛋白的聚集将诱发生成能黏附胆色素的凝胶体，即胆泥形成。胆泥形成很可能还与钙、胆汁酸盐和胆固醇相互作用并降低胆红素和胆固醇在胆汁中的溶解度。其结果是在凝胶中形成胆红素钙和胆固醇的单水结晶，并能在超声检查时被辨认出来。对长期禁食施行肠外营养者的观察提示：大多数的胆泥形成是可逆的，一旦恢复正常饮食便可消失。也有的研究报道18%的胆泥消失后不复发，60%有复发，8%则可发展成无症状性结石。Carey强调胆泥的出现可能与胆囊对黏蛋白的分泌与清除失衡及胆汁内出现胆固醇结晶析出、成核有关。最终将根据从胆汁中沉淀出来的溶质而形成胆固醇或胆色素结石。
综上所述，胆色素在胆汁中的溶解障碍主要与黑色和棕色两类色素性胆石的发生有关。其区别在于胆道感染的有（棕色石）或无（黑色石），不但影响所形成的胆红素钙沉淀的颜色、组成及结石发生部位，也反映出两类结石的不同发病背景。胆汁酸盐除对胆固醇有“助溶”作用外，在降低钙离子和胆红素的浓度避免形成胆红素钙及其他脂肪酸钙和碳酸钙、磷酸钙中也起重要的保护作用。而糖蛋白则在两类胆色素及胆固醇结石形成中起促进作用，并作为基质成分与胆固醇和胆色素共同沉淀到结石中。此外，在胆道感染的情况下，析出的胆红素沉淀除了能构成胆色素结石的主要成分外，在有胆固醇过饱和情况时，还可与胆泥一起作为结石的核心参与构成胆固醇结石。